Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Електронний промінь – потік електронів, що випромінюються одним джерелом і рухаються за близькими траєкторіями у певному напрямку. Електронний промінь створюється спеціальним приладом – електронною гарматою (рис. 13.1), за допомогою якої отримують вузькі електронні пучки з великою густиною енергії.
Рис. 13.1. Схема електронно-променевої установки: 1 – електронна гармата; 2 – підігрівач; 3 – катод; 4 – додатковий електрод; 5 – електрод (анод); 6 – магнітні лінзи; 7 – система відхилення; 8 – затвор; 9 – дифузійний насос; 10 – затвор; 11 – форвакуумний насос; 12 – привод маніпулятора; 13 – виріб; 14 – вакуумний об’єм; 15 – високовольтне джерело постійного струму
Гармата має катод 1, який може нагріватися до високих температур. Катод розміщений всередині додаткового електрода 2. На деякій відстані від катода знаходиться прискорюючий електрод (анод) 3 із отвором. Електрони, які виходять із катода, фокусуються за допомогою електричного поля між додатковим і прискорюючим електродами в пучок, діаметр якого дорівнює діаметру отвору в аноді 3.
Позитивний потенціал прискорюючого електрода може досягати кількох десятків тисяч вольт, тому електрони, які випромінюються катодом, на шляху до анода набувають значної швидкості та енергії. Живлення гармати електричною енергією здійснюється від високовольтного джерела постійного струму 15. Для збільшення густини енергії в промені, після виходу електронів із першого анода, вони фокусуються магнітним полем у спеціальній магнітній лінзі 6. Сфокусовані в густий пучок електрони, що рухаються, вдаряються з великою швидкістю об поверхню виробу 13.
Для переміщення променя по поверхні виробу на шляху електронів розміщують магнітну систему відхилення 7. Для забезпечення вільного руху електронів від катода до анода і далі до виробу, а також для того, щоб запобігти утворенню дугового розряду між електродами, в установці створюється глибокий вакуум (порядку Па).
При взаємодії прискорених електронів з твердим тілом відбувається багато взаємопов’язаних процесів, в результаті яких спостерігається емісія з опромінюваної поверхні електронів, фотонів і атомних частинок, а також можлива суттєва зміна властивостей твердого тіла.
На рис. 13.2 схематично показано процеси, які проходять при попаданні електронів у речовину. Закономірності проходження всіх наведених процесів визначаються параметрами електронного пучка: енергією електронів, напрямком їх руху й інтенсивністю потоку.
На шляху до поверхні первинні електрони можуть втрачати енергію і змінювати напрямок руху через розсіювання на частинках навколишнього середовища. Для того, щоб не менше 99 % електронів доходили до поверхні без небажаної взаємодії з атомами навколишнього середовища, потрібно підтримувати тиск залишкових парів на рівні () Па і нижче.
При проходженні границі розділу системи “вакуум–тверде тіло” первинні електрони прискорюються в полі сил поверхневого потенційного бар’єру і продовжують рух у речовині, кінетична енергія якої збільшилась.
Для більшості матеріалів цей додаток до кінетичної енергії (внутрішній потенціал твердого тіла) складає (10...20) еВ і його слід враховувати для повільних електронів з енергією до 1 еВ.
На своєму шляху первинні електрони зазнають численних актів взаємодії з атомами твердого тіла, які можна поділити на два основних класи: пружні і непружні.
Під пружною розуміють взаємодію, коли частинки, які беруть в ній участь, обмінюються кінетичною енергією, а їх внутрішня енергія при цьому не змінюється. При пружному зіткненні електрона з нерухомим атомом максимальне значення кінетичної енергії, яка передається атому, визначається співвідношенням мас взаємодіючих частинок, і тому не перевищує сотих часток відсотка від початкової енергії електрона. Але при досить великих значеннях енергії електрона (сотні кеВ – одиниці МеВ і більше), її достатньо для вибивання атомів з вузлів кристалічної гратки. При такій енергії електрон пружно розсіюється на атомі твердого тіла без розриву його зв’язку з сусідами. В результаті зміщення атома при співударі з електроном відбувається відповідне зміщення сусідніх атомів і по атомному ланцюгу розповсюджується пружна хвиля. Подібні хвилі в кристалі виникають лише на певних дискретних частотах, кожній з яких відповідає свій квант енергії – фонон. Тому в акті пружного розсіяння первинний електрон втрачає енергію дискретними порціями, які відповідають збудженню одного чи декількох фононів. Оскільки енергія фононів значно менше, ніж енергія первинних електронів, таке розсіяння вважають квазіпружним.
При електронному бомбардуванні об’єкта деяка частина первинних електронів зазнає відхилення на великі кути в результаті одного чи декількох послідовних актів пружного розсіяння на приповерхневих атомах і повертається у вакуум. Такі електрони називають пружновідбитими.
Гальмування електронів при русі в речовині обумовлюється різними причинами. Однією з них є поява квантів електромагнітного випромінювання. Оскільки рух первинного електрона у твердому тілі не є періодичним, енергетичний спектр такого гальмівного випромінювання має безперервний характер і відповідно до закону збереження енергії простягається до енергії квантів.
Коли електрон перетинає границю розділу двох середовищ з різними властивостями можлива поява перехідного випромінювання. При дуже великих значеннях енергії електрона, коли швидкість електронів перевищує фазову швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль в даній речовині, спостерігається випромінювання Черенкова.
Основний механізм гальмування первинних електронів в речовині пов’язаний з процесами непружного розсіяння, в результаті яких електронна система твердого тіла збуджується.
Відповідно до цього відрізняють два основних типи електрон-електронних взаємодій у твердому тілі: колективні і одночастинкові.
При колективних збудженнях первинний електрон взаємодіє з системою валентних електронів твердого тіла, яку можна в цьому випадку розглядати як вироджений газ чи плазму вільних електронів в полі рівномірно розподіленого позитивного заряду.
При зовнішньому збудженні такої плазми виникають коливання електронної густини на дискретних квантованих частотах, які визначаються концентрацією електронів і властивостями матеріалу. Квант енергії плазмових коливань – плазмон – прийнято вважати квазічастинкою твердого тіла, яка має певні значення енергії й імпульсу.
Розрізняють два види плазмових коливань – об’ємний і поверхневий. Поверхневий плазмон має імпульс, спрямований вздовж границі розділу двох середовищ і ймовірність його збудження експоненціально спадає при віддаленні від границі. Його енергія менше, ніж енергія об’ємного плазмона. Кожна речовина має свої значення енергії об’ємного і поверхневого плазмонів, які знаходяться в діапазоні від 3 до 30 еВ.
Рис. 13.2. Основні процеси, які проходять при взаємодії прискорених електронів з речовиною
При розсіянні на значні кути імпульс, який передається електронам твердого тіла, достатньо великий і збудженні коливання стають настільки короткохвильовими, що електронна плазма поводиться відносно до них як система окремих вільних частинок. Тобто виявляється другий тип непружного розсіяння – одночастинкові взаємодії. При них енергія первинних електронів витрачається на іонізацію і збудження атомів твердого тіла.
В кожному акті взаємодії один з електронів твердого тіла отримує від первинного електрона енергію, достатню для переходу в стан з більш високою енергією. На енергетичному рівні, з якого трапився перехід, утворюється вакансія.
Збуджені електрони в момент утворення мають кінетичну енергію, яка, як правило, перевищує середню теплову енергію електронів провідності. Але в подальшому ці електрони поступово втрачають залишкову енергію в численних актах непружного розсіяння. Частина з них після багатократної зміни напрямку руху може досягти поверхні твердого тіла. Якщо у збудженого електрона залишається достатня енергія для подолання поверхневого потенційного бар’єру, він може вийти у вакуум як вторинний електрон. Загальну кількість вторинних електронів, які вибиваються в середньому одним первинним, називають коефіцієнтом істинної вторинної електронної емісії. Більшість збуджених електронів залишається в твердому тілі і порівняно швидко, за час () с, втрачає всю залишкову енергію в численних актах гальмування. В результаті у зоні провідності накопичуються нерівноважні електрони з тепловими швидкостями, які називають термолізованими електронами.
В металах таких електронів значно менше, ніж електронів провідності, тому помітний вплив на провідність вони мають тільки в діелектриках і напівпровідниках.
Якщо в результаті електронних переходів різко зростають сили відштовхування між сусідніми атомами, і якщо ці атоми не встигають розійтись на помітні відстані, проходить незворотна зміна складу опроміненої електронами речовини. До таких процесів належать електронностимульована десорбція чужорідних атомів і молекул, а також дисоціація хімічних сполук, які знаходяться на поверхні твердого тіла.
Електронне бомбардування може привести і до протилежного результату, тобто до утворення хімічних сполук, якщо хімічна активність атома при збудженні зростає. Електронний промінь грає в цьому випадку роль каталізатора.
Основною причиною гальмування первинних електронів у твердому тілі є процеси непружної електрон-електронної взаємодії, коли електрони повністю втрачають початкову енергію, термолізуються і поглинаються речовиною. Шлях, який проходить первинний електрон до термолізації, називають траєкторним пробігом електрона в речовині. Довжина пробігу залежить від початкової енергії електронів і гальмівної спроможності речовини, яка зростає при зменшенні енергії електронів. Це означає, що у поверхні, де швидкість первинних електронів велика, ймовірність втрат енергії повинна бути менше, ніж у кінці пробігу. В результаті максимум просторового розподілення питомої енергії розташований не на поверхні, а в об’ємі твердого тіла. Ця особливість відрізняє електронне бомбардування від інших способів передачі енергії твердому тілу.
При застосуванні електронного променя для нагрівання і розплавлення поверхні використовується енергія, яка отримується в результаті її бомбардування прискореними електронами, сформованими у вузький пучок. При попаданні на поверхню електрони гальмуються і їх кінетична енергія перетворюється на теплову. Процес здійснюється у високому вакуумі () Па, форвакуумі () Па, або, іноді, в середовищі інертних газів при атмосферному тиску.
У процесах електронно-променевої обробки поверхні застосовується густина потужності пучків () .
При проходженні швидких електронів крізь речовину повні втрати енергії визначаються втратами на іонізацію і збудження атомів, взаємодію з плазмою твердого тіла і на гальмівне випромінювання.
При взаємодії швидких електронів з електронною плазмою твердого тіла визначальну роль відіграють колективні ефекти.
Заряди, які рухаються з прискоренням, випромінюють електромагнітні хвилі. При проходженні через речовину в процесі співударів електрони набувають негативного прискорення і, відповідно, випромінюють електромагнітну енергію. Таке випромінювання називають гальмівним.
При дії на речовину потоків електронів з енергією (20...200) кеВ довжина хвиль гальмівного випромінювання відповідає спектру рентгенівського випромінювання. В області енергій, які відповідають умовам нагрівання і плавлення поверхні (до 20 кеВ), їх втрати на одиницю довжини пробігу найбільш сильно залежать від енергії бомбардуючого електрона.
Довжина пробігу електрона, який бомбардує речовину, визначається як відстань від поверхні речовини до точки, де електрон набуває середньої теплової швидкості вільних електронів речовини:
, (13.1)
де – середня теплова енергія електронів середовища.
Відповідно до Шотланда:
, (13.2)
де – густина матеріалу, ; – прикладена напруга, В; – довжина пробігу, м.
Із виразів (4.44), (4.45) випливає, що .
У діапазоні енергій електронів (0,5...3000) кеВ .
Поряд з непружними взаємодіями швидких електронів з частинками середовища мають місце і пружні співудари. Пружні співудари, які не приводять до втрат енергії, суттєво впливають на розподілення енергії електронами по довжині пробігу внаслідок розсіяння.
Під час гальмування електрони пучка взаємодіють з ядрами і електронами мішені. Зіткнення з ядрами через велику різницю в масах мають головним чином пружний характер, при цьому напрямок руху суттєво змінюється. Енергія передається в результаті зіткнень з електронами матеріалу мішені. Як і у випадку лазерного опромінення, енергія цих електронів передається гратці у вигляді теплоти майже негайно. За короткий час опромінення нагрівання відбувається квазіадіабатично. Вплив теплопровідності при цьому дуже малий і профіль температури повторює профіль втрат енергії електронів у зразку.
Розсіювання енергії у глибині матеріалу визначає зміну температури на стадії нагрівання.
Якщо у випадку лазерного опромінення максимум профілю поглиненої енергії знаходиться на поверхні, для гомогенного середовища поглинання і відбиття може бути дуже чутливим до структури поверхневого шару.
У випадку електронного опромінення поглинання енергії залежить тільки від енергії електронів Е і атомного номера Z речовини мішені. При першому наближенні профіль поглиненої енергії може бути апроксимований розподіленням Гауса: , де і можна отримати із співвідношення, яке справедливо в інтервалі , тобто від вуглецю до олова:
;
; (13.3)
,
де ; ; – в ; – в кВ.
Наприклад, положення піку, який відповідає максимуму поглиненої енергії і розподілу Гауса для пучка електронів з енергією 20 кеВ в алюмінієвій мішені, знаходиться на глибині 1 мкм.
Втрати енергії на зворотне розсіяння залежать від атомного номера матеріалу мішені, енергії і кута падіння пучка електронів. Залежність енергії зворотно відбитих електронів від атомного номера Z у випадку нормального падіння пучка електронів з енергією наведено на рис. 13.3.
При електронно-променевому опроміненні, порівняно з лазерним, втрати енергії на зворотне розсіяння подібні до впливу коефіцієнта відбиття на введення енергії.
Розподіл температури повторює розподіл введеної енергії, тобто максимум розплавлення спостерігається нижче поверхні і збігається з максимумом розподілення втрат енергії. Відмінність від лазерного опромінення полягає в глибині досягнення максимальної температури і в мінімальній товщині розплавленого шару. При опроміненні електронним пучком товщина розплавленого шару складає як мінімум кілька мікрометрів.
З цього факту випливають деякі наслідки для швидкості переміщення границі “тверда фаза – розплав” на стадії охолодження.
Стадія охолодження приблизно відповідає процесу охолодження при лазерній обробці, в той час, як стадія нагрівання повністю відмінна. Енергія вводиться на глибину більшу, ніж для лазерного пучка, і шар з товщиною, яка дорівнює приблизно половині довжини пробігу електронів, розплавляється майже негайно. Температура розплаву нижче, ніж при лазерному опроміненні і тому температурні градієнти менші.
Рис. 13.3. Залежність відбитої енергії Е від атомного номера Z мішені при нормальному падінні пучка електронів з енергією
При електронно-променевій обробці поверхні можливі декілька видів її стану (рис. 13.4).
Оплавлення і наступне твердіння з невеликими швидкостями просування фронту фазових перетворень здійснюється для рафінування металу поверхні заготовки від домішок і включень без додаткового легування матеріалу, а також для усунення поверхневих дефектів.
Загартування сплавів з твердого стану здійснюється зі швидкостями нагріву і охолодження приблизно () К / с.
Оплавлення з порівняно високими швидкостями плавлення і кристалізації (приблизно () К / с) здійснюється з метою загартовування сплавів з рідкого стану.
Оплавлення і твердіння з високими і надвисокими швидкостями () К/с здійснюються з метою аморфізації тонкого приповерхневого шару матеріалу.
Рис. 13.4. Схеми електронно-променевого модифікування поверхні: а – рафінуюче оплавлення; б – загартування з твердого стану; в – модифікування за фазовим перетворенням; г – легування; д – дифузія; е – наплавлення; ж – обробка попередньо нанесених покриттів; з – ударне зміцнення
Ударне зміцнення здійснюється із ще більш високими швидкостями за проміжки часу () с. Глибинне зміцнення матеріалу проходить завдяки дії пружних коливань, які розповсюджуються у вигляді ударної хвилі. Практичне значення мають процеси поверхневого легування, наплавлення матеріалу, обробки попередньо нанесених на метал покриттів, нагрівання шарів після хіміко-термічної обробки.
Характер виділення тепла в глибині металу залежить від енергії електронів. Використання релятивістських електронних променів має ряд особливостей порівняно із застосуванням променя, прискореного напругою від десятків до сотень кіловольт. Це дозволяє нагрівати поверхневий шар виробу на всю товщину в результаті прямого виділення енергії електронів, які гальмуються, без теплоперенесення з поверхні. При цьому товщина шару, залежно від значень енергій електронів, суттєво зростає (в залізі – від 27 мкм при енергії електронів 100 кеВ до 5,7 мм при 10 МеВ). Максимальна кількість тепла виділяється на глибині, яка складає приблизно 1 / 3 величини пробігу електронів.
Спостерігається нерівномірне енерговиділення і різна кінетика нагрівання структурних складових, наприклад, матриці і карбідів.
При електронно-променевому оплавленні в режимах рафінування і загартовування з рідкого стану переплав сталей і сплавів приводить до виділення газів і (30…75) % неметалевих включень. Розподілення включень, які залишилися, є більш рівномірним і вони зменшуються в розмірах. Це покращує комплекс фізико-механічних характеристик матеріалів: підвищуються густина, ударна в’язкість, теплопровідність, контактна витривалість, зменшується схильність до гарячого тріщиноутворення. Наприклад, стійкість інструмента із сталей електронно-променевого переплаву для холодного і гарячого деформування зростає на (70…155) %.
На рис. 13.5, як приклад, показана температурна залежність коефіцієнта теплопровідності різних сталей для вихідного стану і після електронно-променевого оплавлення.
Рис. 13.5. Температурна залежність коефіцієнта теплопровідності сталей: 1 – 5ХНМ; 2 – ШХ15СГ; 3 – 4Х5МФС; 4 – ДИ23 у вихідному стані (а) і після електронно-променевого оплавлення (б)
При збільшенні швидкості нагрівання і охолодження розплавленого металу, його структура і морфологія суттєво відрізняються від тих, що формуються в рівноважних умовах.
Спостерігається подрібнення дендритів, зменшення товщини їх гілок і розмірів дендритних комірок. Це приводить до поліпшення механічних характеристик і теплостійкості оброблених матеріалів.
Наприклад, оплавлення сталі 4Х5МФС підвищує твердість зони оплавлення до HV 700, сталі Х12 – HV 900, сталі ШХ15 – 7,4 ГПа, сталі 55Х2Н2МФА – 11,8 ГПа.